CN104884769B - 用于启动飞行器涡轮发动机的方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于启动飞行器涡轮发动机的方法，所述涡轮发动机包括：燃烧室；压缩机轴，压缩机叶轮安装在所述压缩机轴上以将压缩空气馈送给所述燃烧室；至少一个起动机，所述至少一个起动机连接到所述轴上以向所述轴提供足以驱动所述轴旋转的确定值的起动转矩。所述方法包括：在第一启动阶段中对所述压缩机轴加速的步骤(E1)，随后在第二启动阶段稳定所述压缩机轴的旋转速度的步骤(E2)。在所述加速步骤(E1)中对所述轴的旋转速度进行调节从而使得所述轴的加速度基本上保持恒定。

Description

用于启动飞行器涡轮发动机的方法及系统
技术领域
本发明涉及一种用于启动飞行器的涡轮发动机的方法和系统。
背景技术
在已知的方式中，飞行器的涡轮发动机包括燃烧室、压缩机叶轮安装在其上以将压缩空气馈送至所述燃烧室的压缩机轴，以及至少一个连接到所述轴从而提供足以驱动其旋转的起动转矩的起动机(或起动发电机)。
为了启动涡轮轴发动机，该起动机首先在第一启动阶段使压缩机轴加速，起动喷射器的燃料回路上游在该第一启动阶段中被加压并被净化。随后，在第二启动阶段，在所述燃料在涡轮轴发动机的燃烧室中被点燃之前发起燃料喷射。最后，在第三启动阶段，该起动机以预定的旋转速度停止运行，并且由于所述燃料的燃烧而使该涡轮轴发动机能够继续加速。
为了使得能够点燃燃料，需要压缩机叶轮向燃烧室提供足量的空气，但是该空气量不能太大，这是因为随后该空气会防止点燃燃料。由于压缩机轴的旋转速度与压缩机叶轮向燃烧室提供的空气量成比例，因此该轴的旋转速度需要在针对足以正确执行点火的时间长度的速度范围内，该速度范围被称作点火窗口。
WO2011/056360描述了一种用于点燃燃气涡轮机的方法，在该方法中，控制涡轮机的旋转速度从而在第二启动阶段内将该旋转速度保持在5％的预定速度内，该预定速度被称为点火速度。然而，当由起动机在第一启动阶段引起的轴的加速使得不能降低所述轴的旋转度从而将其稳定在点火窗口内时，问题出现了。换言之，如下所述，该轴的旋转速度的过度增加会导致过快地进入涡轮轴发动机的点火窗口，这使得不能点燃该涡轮轴发动机。
事实上，在涡轮轴发动机中，通常使用电式起动机，该电式起动机采用由电池经由电力电子装置供电的同步机的形式，并在涡轮轴发动机的启动阶段中用作电机且在飞行器的飞行阶段用作发电机。由起动机提供起发动机转矩的目的在于克服所有主要由来自设置为旋转的部件的气动阻力所引起的、由接触的部件的机械摩擦所引起的、以及由涡轮轴发动机的机油和燃料泵的不同阶段所引起的阻力转矩。
然而，需要起动机克服的阻力转矩会根据涡轮轴发动机所经受的环境条件而显著变化，尤其是温度和气压。认证规定通常要求起动机能够在多个海拔高度和不同的气候条件下启动。
例如，在寒冷的天气下，也就是当环境温度很低，例如-20℃时，起动机需要克服以启动涡轮轴发动机的阻力转矩与该起动机在零上的环境温度下需要克服的阻力转矩相比存在明显增加，这尤其是因为涡轮轴发动机所配备的机油和燃料泵的阻力转矩高于其在寒冷天气下的阻力转矩。
因此，该起动机需要能够在这些条件下启动，从而使该起动机的功率能够预见此情况。这就意味着需要使用高功率的起动机。
在此过程中，这种类型的高功率起动机使得可以正确地控制由该起动机提供的转矩，并且这会导致轴的过度加速，从而导致过快进入点火窗口并由此导致该燃料的点火故障或中止。
发明内容
本发明的目的在于通过提出一种有效的用于启动涡轮轴发动机的方法来至少部分地消除这些缺陷，该方法尤其使得能够连续启动多个涡轮轴发动机，尤其是在不同的海拔高度下启动。
因此，本发明涉及一种用于启动飞行器涡轮轴发动机的方法，所述涡轮轴发动机包括：燃烧室；压缩机轴，压缩机叶轮安装在所述压缩机轴上以将压缩空气馈送给所述燃烧室；至少一个起动机，所述至少一个起动机连接到所述轴上以向所述轴提供指定的起动转矩来驱动所述轴旋转；所述方法包括：
在第一启动阶段中对所述压缩机轴加速的步骤，随后
在第二启动阶段稳定所述压缩机轴的旋转速度以使得燃料能够被点燃的步骤，
所述方法的特征在于，对所述轴的旋转速度进行调节，从而使得所述轴的加速度基本上保持恒定，尤其在第一启动阶段中保持恒定。
术语“调节”意味着该轴的旋转速度被持续地控制，尤其是在第一启动阶段中，从而使得该轴的加速度基本上保持恒定而不管处于何种涡轮轴发动机的环境条件下(低温、低压等)。这种类型的调节可利用速度参考或转矩参考来执行，该速度参考或转矩参考例如可以是速度值或转矩值，或者速度或转矩增加或降低的百分比。
在这种情况下并且在以下说明中，术语“起动机”意味着是简单的起动机和起动机发电器。
在第一启动阶段期间具有恒定加速度的所述轴的旋转速度的增加使得能够对所述轴的旋转速度进行控制，从而使得该旋转速度达到点火窗口并在足够长的时间段内被保持在点火窗口内以使涡轮轴发动机能够被点燃，使燃料电路能够被逐渐加压到起动喷射器的上游，并使所述电路能够被净化。在没有这种类型的调节的情况下，起动机例如在寒冷天气下所提供的转矩非常大，因而将导致该轴非常突然的加速，从而使得快速进入点火窗口。
在稳定步骤中，该轴的旋转速度被保持在能够点燃燃烧室的速度范围内，例如位于该轴的标称旋转速度的10％与15％之间的范围内。“标称速度”意味着涡轮轴发动机在能够提供最大输出功率(MTOP)的模式下运行时的压缩机轴的速度。
优选地，对该轴的旋转速度进行调节使得该轴的加速度在第二启动阶段基本上保持为零。
当从所述涡轮轴发动机输出的气体的温度超过预定阈值时对点火进行检测。控制时间间隔可以推测出燃烧对于结束这个稳定阶段是足够稳定的。
该方法还可以包括，在所述燃料的点火之后的在第一启动阶段对所述轴进行加速的步骤，这使得能够加速压缩机叶轮例如加速至针对启动序列结束的最大速度。这个步骤还包括对起动机在第三启动阶段的持续时间内例如通过转矩参考所提供给压缩机轴的转矩的连续稳定。这种对起动机所提供给压缩机轴的转矩的连续控制使得能够在第三阶段防止起动机提供过大的转矩，过大的转矩在燃烧室的稳定变得过低的情况下将存在导致燃烧室熄灭的风险。事实上，当转矩过大时，与燃料流速相比，该轴所得的加速度会增大压缩机所提供的空气流速，从而使得燃料/空气比例变得过低并且发动机停止。这尤其使得能够在燃料的点火之后在该轴的加速阶段期间进行涡轮轴发动机的最佳操作。当然，对起动机所提供的转矩的连续稳定还可以通过速度参考产生。当该转矩参考被飞行器的发动机计算机发送时，转矩参考的使用可以有利地使得能够不存在针对计量燃料流动的计算机所使用的速度环的干扰。在第三阶段中，加速度取决于涡轮轴发动机的阻力转矩的演变，该阻力转矩的变化尤其取决于该轴的旋转速度并取决于涡轮轴发动机的热行为。
优选地，对该轴的旋转速度进行调节使得该轴的加速度在第三启动阶段基本上保持恒定。
优选地，该速度被周期性地调节，尤其在整个第一阶段的持续时间内进行周期性地调节。例如，该周期可以小于或等于1秒，较优对小于或等于100ms。这样的周期性调节使得能够对该轴的加速度进行非常精确的控制，从而使其能够基本上保持恒定，尤其是在整个第一阶段的持续时间内保持恒定。
优选地，该调节步骤包括：
在一时间间隔内获得加速度值的步骤，
对所获得的加速度值与参考加速度值之间的差值进行计算的步骤，
将所计算的差值与预定阈值进行比较的步骤，
在所述阈值被超过时根据所计算的差值来确定速度参考或转矩参考的步骤。
在根据本发明的方法的替代实施例中，该调节步骤包括：
在第一时间间隔内获得第一加速度值的步骤，
在第二时间间隔内获得第二加速度值的步骤，第二时间间隔较优地与第一时间间隔连续，
对所获得的第一加速度值与所获得的第二加速度值之间的差值进行计算的步骤，
将所计算的差值与预定阈值进行比较的步骤，
在所述阈值被超过时根据所计算的差值来确定速度参考或转矩参考的步骤。
优选地，所述获得加速度值的步骤通过对所述轴的旋转速度进行两次连续测量实现。
因此，例如，所述轴的旋转速度可被周期性地测量，并且随后针对每次在两次速度测量之间的时间间隔，对该轴在此时间间隔内的加速度进行计算。
因此，所计算的加速度值可以与恒定的且预定的参考值进行比较，或者与另一之前所计算的加速度值进行比价。
速度参考因而根据所进行的比较来确定，从而使该轴的旋转速度能够被调整。该速度参考表示例如该轴需要达到的使加速度被重新置于参考值或在之前的时间间隔内所获得的值的速度。
为了快速启动涡轮轴发动机，加速度需要至少等于2.5％的标称速度每秒，从而使得第一阶段的持续时间小于4秒。
以相同的方式，加速度值需要小于最大值，大约5％的标称速度每秒，从而使得可以将该轴的旋转速度稳定在点火窗口内而无需超过该窗口的最大值，当超过该窗口的最大值时，燃烧室中的气体体积会过多并会防止点燃燃料。
参考加速度值可以根据涡轮轴发动机的环境条件来确定。因此，例如，在启动处的参考值可根据对起动机需要克服的阻力转矩产生直接影响的温度和周围大气压力值来确定。这些条件会迅速变化，尤其是当在高空飞行期间涡轮轴发动机已经停止而飞行员必须执行重启时会迅速变化。
因此，使用根据本发明的方法，该轴的用于将在第一启动阶段中的加速度保持恒定的旋转速度能够通过将涡轮轴发动机的环境条件的变化考虑在内而被连续地调节，从而使得起动机所提供给轴的转矩被调整至与这些条件相对应的阻力转矩，起动机需要克服该阻力转矩以使得能够对该轴的加速度进行精确控制并由此在稳定阶段成功地点燃燃料。
该方法还包括通过起动机的装置将轴设置为旋转的初始步骤。
本发明还涉及一种用于启动飞行器涡轮轴发动机的系统，所述系统包括涡轮轴发动机和用于管理所述涡轮轴发动机的装置，所述涡轮轴发动机包括：燃烧室；压缩机轴，压缩机叶轮安装在所述压缩机轴上以将压缩空气馈送给所述燃烧室；至少一个起动机，所述至少一个起动机连接到所述轴上以向所述轴提供指定的起动转矩来驱动所述轴旋转，所述起动机包括用于在第一启动阶段对所述压缩机轴加速的装置以及用于在第二启动阶段稳定所述压缩机轴的旋转速度以使燃料能够被注入所述燃烧室并使得所述燃料能够被点燃的装置，所述管理装置被配置为调节所述轴的旋转速度使得所述轴的加速度尤其在第一启动阶段内基本上保持恒定。
优选地，该管理装置被进一步配置为调节所述轴的旋转速度使得所述轴的加速度在第二启动阶段内基本上保持恒定。
更优选地，该管理装置被进一步配置为调节所述轴的旋转速度使得所述轴的加速度在第三启动阶段内为最大值。
根据本发明的特征，所述起动机是电起动机并包括用于对提供给所述轴的转矩进行控制的电子电路。
本发明还涉及一种包括如上所述的涡轮轴发动机和系统的飞行器。
附图说明
通过阅读以下参照附图以非限定示例的方式所给出的说明将使本发明的其他特征和优点变得显而易见，并且在附图中相同的附图标记表示类似的元件。在附图中：
图1示意性地示出了根据本发明的系统。
图2示出了根据本发明的由该系统实施的方法。
图3为示出了配备有根据本发明的系统的飞行器的涡轮轴发动机的三个启动阶段的曲线图。
图4为根据本发明的系统的压缩机轴的旋转速度的曲线图。
具体实施方式
根据本发明的系统的说明
图1所示的根据本发明的用于启动飞行器涡轮轴发动机的系统10包括涡轮轴发动机100和用于对所述涡轮轴发动机100进行管理的装置200。
涡轮轴发动机100包括：燃烧室120；压缩机轴140，压缩机叶轮160安装在其上以将压缩空气馈送给所述燃烧室120；以及电起动机180，通过中继变速箱170连接到所述轴140，从而向轴140提供指定的用于驱动其旋转的起动转矩。
压缩机轴140与压缩机叶轮160和燃烧室120沿轴X同轴地设置。
中继变速箱170可以例如采用多个齿轮阶段的，使得能够将该起动机所提供的转矩传输至对压缩机轴140。很好理解的是，起动机180可以直接安装在压缩机轴140上而并不限制本发明的范围。
起动机180还包括用于加速压缩机轴140以在第一启动阶段P1和第二启动阶段P3内加快压缩机轴140的旋转速度的装置182(参照图3)。
起动机180还包括用于在第二启动阶段P2内稳定压缩机轴140的旋转速度的装置184(参照图3)，从而使得燃料能够注入燃烧室120且使得所述燃料能够被点燃。
加速装置182和/或稳定装置184受控于电子电路(未示出)从而管理起动机180向轴140所提供的转矩水平。这样的电子电路被配置为接收速度参考和/或转矩参考使得起动机180向轴140提供一使得能够实现所述速度或等于所述转矩的转矩。
用于管理所述涡轮轴发动机100的装置200可以采用计算机的形式，例如FADEC(full authority digital engine control，全权限数字式发动机控制)类发动机计算机类的计算机，并通过一个或更多个通信链路300(例如一个或更多个数字总线)连接到用于控制起动机180的电子电路，从而使得能够将例如速度参考和/或转矩参考的参考经由管理装置200发送至用于控制起动机180的电子电路。
用于管理涡轮轴发动机100的装置200通过将参考发送至起动机180使得能够调节起动机140的旋转速度，从而使起动机的加速度在第一启动阶段P1中基本上保持恒定而不管处于何种涡轮轴发动机100的环境条件，例如温度和压力条件下。
根据本发明的方法的实施方式
根据本发明的方法被显示在图2中并参照图3进行说明。
在步骤E0中，当在地面或飞行中需要启动涡轮轴发动机时，向电起动机180发送激活指令，从而使该电起动机经由中继变速170向轴140提供转矩。
在步骤E1中，则由起动机180在第一启动阶段P1中对压缩机轴140进行加速。
在第一启动阶段P1中，调节轴140的旋转速度使得轴140的加速度在第一阶段P1中基本上保持恒定。
更具体地，当压缩机轴140被起动机180设置为旋转时，轴140的速度N被传感器(未示出)周期性地测量，例如每隔100ms进行测量。
该测量例如经由通信链路300而被周期性地传达给管理装置200。该管理装置200因而根据以下公式依据两个连续的分别在时刻t1、t2处所测得的速度测量值n1、n2来计算时间间隔[t1，t2]内的加速度：
在时间间隔[t1，t2]内所测得的加速度AMES因而与对应于恒定的预定加速度值的参考加速度AREF比较，该参考加速度值例如是根据涡轮轴发动机100的环境条件由过去的经验所确定的加速度值，对此存在将确定的环境条件与参考加速度AREF关联的对应关系表格。当然，该参考值AREF针对每个启动阶段可以是不同的。
关于第一启动阶段，该参考加速度AREF可被确定使得其持续一时间段，该持续时间足够长使得该参考加速度不必过分突然地加速并超过起动窗口，但该持续时间还要足够短以便能够快速地启动涡轮轴发动机，例如在3-4秒之间。因此，优选地，该参考加速度AREF至少等于2.5％的标称速度每秒，从而使得第一阶段的持续时间小于4秒，并且该参考加速度AREF小于25％的标称速度每秒，从而使得能够将轴的旋转速度稳定在点火窗口内。
参考图4，该轴具有与先前在时刻t1处和随后在时刻t3处的参考加速度AREF相对应的加速度。使用根据本发明的方法，当在时间间隔[t1，t2]上测量的加速度AMES与参考值AREF之间的差值大于预定阈值，例如5％的参考值AREF时，也就是当加速度不是基本恒定且等于预定加速度参考值AREF时，广利管理装置200确定该轴140的旋转速度参考值VCONS并将该参考值发送至用于控制起动机180的电路，从而使得能够对该差值进行校正。这种参考目的在于使得轴140的加速度能够被起动机调节，也就是在最早时刻处，例如来自以下时间间隔[t2，t3]的加速度向预定参考值AREF收敛。
因此，参考图4，管理装置200发送至起动机180的速度参考VCONS表明轴140的旋转速度的降低，使得该轴在时间间隔[t2，t3]上的加速度小于参考加速度AREF，这样使该加速度收敛于所述参考值AREF，从而使该轴在时刻t3处达到速度n3。
管理装置200例如在时刻t2处或时刻t2稍后的时刻处将速度参考VCONS发送至用于控制起动机180的电路，使得起动机180经由其控制电路快速地调整提供给轴140的转矩，并由此根据所接收到的速度参考VCONS来调整轴140的旋转速度。
因此，根据本发明的方法使得当待完成的压缩机轴140的加速度值与参考值AREF明显不同，尤其是在第一启动阶段P1的持续时间内明显不同时，该加速度值能够向该参考值收敛。
当达到针对轴140的旋转速度的预定阈值，例如在点火窗口内时，开始第二启动阶段P2。稳定步骤E2使得轴140的旋转速度能够在一持续时间内稳定在点火窗口内，该持续时间足够长以使燃料能够被注入燃烧室120并使所述燃料能够被完全点燃。优选地，该稳定步骤E2通过将参考加速度值AREF设为零而使得速度是恒定的并被保持在例如介于该涡轮轴发动机的标称速度的10％和15％之间来执行。
根据本发明的方法还可以包括对燃料的点火进行检测的步骤E3，在该步骤中，对从涡轮轴发动机输出的气流的温度进行测量，并且将所述测量值与表明燃烧室的点火的参考温度值进行比较。
当检测到点火时，延迟步骤E4(例如持续0.5秒的延迟)使得能够确保在涡轮轴发动机的第三启动阶段开始之前点火已被正确地且以可持续的方式进行，在该第三启动阶段中，轴140的旋转速度增大。
因此，在对轴140进行加速的步骤E5中，压缩机叶轮160在启动阶段P3内被加速例如达到其最大速度，从而使该涡轮轴发动机能够达到飞行器飞行模式。
优选地，该步骤E5包括在第三阶段P3中对起动机所提供给压缩机轴的转矩进行持续稳定。以与步骤E2中类似的方式，管理装置200使得能够通过将转矩参考CCONS发送至起动机来调节转矩。
涡轮轴发动机的阻力转矩取决于多种因素，尤其取决于轴的旋转速度和该涡轮轴发动机的热行为。然而，由于起动机所提供的转矩与涡轮轴发动机的阻力转矩之间的差与轴的加速度成比例，因此在恒定的涡轮轴发动机参考转矩CCONS下，该加速度的变化取决于涡轮轴发动机的阻力转矩。
这种对起动机180所提供给压缩机轴140的转矩的连续控制使得能够防止起动机180在这个阶段内提供太大的转矩，如上所述，太大的转矩将存在导致涡轮轴发动机100的燃烧室熄灭的风险。
最后，起动机180可以在第三阶段P3期间停止，例如可在该第三阶段开始时刻停止。
因此，根据本发明的方法和系统使得轴的旋转速度能够被连续控制，尤其在第一启动阶段中被连续控制，从而使得该轴的加速度基本上保持恒定而不管处于何种涡轮轴发动机的环境条件下(低温、低压等)。

Claims (9)

1.一种用于启动飞行器涡轮轴发动机的方法，所述涡轮轴发动机(100)包括：燃烧室(120)；压缩机轴(140)，压缩机叶轮(160)安装在所述压缩机轴(140)上以将压缩空气馈送给所述燃烧室(120)；至少一个起动机(180)，所述至少一个起动机(180)连接到所述压缩机轴(140)上以向所述压缩机轴(140)提供指定的起动转矩来驱动所述压缩机轴(140)旋转；所述方法包括：
在第一启动阶段(P1)中对所述压缩机轴(140)加速的加速步骤(E1)，随后
在第二启动阶段(P2)稳定所述压缩机轴(140)的旋转速度从而使得燃料能够被注入所述燃烧室(120)并使得所述燃料能够被点燃的稳定步骤(E2)，
所述压缩机轴(140)的旋转速度在所述加速步骤(E1)和所述稳定步骤(E2)中被调节，从而使得所述压缩机轴(140)的加速度保持恒定，
其特征在于，在所述加速步骤(E1)中所述方法包括：
在一时间间隔内获得加速度值的步骤，
对所获得的加速度值与参考加速度值之间的差值进行计算的步骤，
将所计算的差值与预定阈值进行比较的步骤，
在所述阈值被超过时根据所计算的差值来确定速度参考或转矩参考的步骤。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述稳定步骤(E2)中，所述压缩机轴(140)的旋转速度被保持在所述压缩机轴(140)的标称旋转速度的10％与15％之间。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，当从所述涡轮轴发动机(100)输出的气体的温度超过预定阈值时执行对点火进行检测的步骤(E3)。
4.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括：在所述燃料的点火之后对所述压缩机轴(140)进行加速从而使得能够加速所述压缩机叶轮(160)的步骤(E5)，所述加速根据转矩参考进行调节。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述速度被周期性地调节。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述获得加速度值的步骤通过对所述压缩机轴(140)的旋转速度进行两次连续测量实现。
7.一种用于实现根据前述权利要求中任一项所述的用于启动飞行器涡轮轴发动机的方法的系统，所述系统(10)包括涡轮轴发动机(100)和用于管理所述涡轮轴发动机(100)的管理装置(200)，所述涡轮轴发动机(100)包括：燃烧室(120)；压缩机轴(140)，压缩机叶轮(160)安装在所述压缩机轴(140)上以将压缩空气馈送给所述燃烧室(120)；至少一个起动机(180)，所述至少一个起动机(180)连接到所述压缩机轴(140)上以向所述压缩机轴(140)提供指定的起动转矩来驱动所述压缩机轴(140)旋转，所述起动机(180)包括用于在第一启动阶段对所述压缩机轴(140)加速的装置(182)以及用于在第二启动阶段稳定所述压缩机轴(140)的旋转速度以使燃料能够被注入所述燃烧室(120)并使得所述燃料能够被点燃的装置(184)，所述管理装置(200)被配置为通过在一时间间隔内获得加速度值、对所获得的加速度值与参考加速度值之间的差值进行计算、将所计算的差值与预定阈值进行比较并在所述阈值被超过时根据所计算的差值确定速度参考或转矩参考来调节所述压缩机轴(140)的旋转速度，从而使得所述压缩机轴(140)的加速度保持恒定。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述起动机(180)是电起动机并包括用于对提供给所述压缩机轴(140)的转矩进行控制的电子电路。
9.一种飞行器，所述飞行器包括涡轮轴发动机和根据权利要求7所述的系统。
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